CN104143507A - 晶圆边缘芯片平坦化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种晶圆边缘芯片平坦化方法，包括步骤：提供待研磨晶圆，待研磨晶圆上分布若干待研磨芯片；将待研磨晶圆吸附于研磨头下，研磨头具有边缘区域和中心区域，研磨头的边缘区域内的下压力作用于待研磨晶圆的边缘区域，研磨头的中心区域内的下压力作用于待研磨晶圆的中心区域；将吸附有待研磨晶圆的研磨头移至研磨垫上；设置研磨头的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值；以及设置研磨头的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种晶圆边缘芯片平坦化方法。
背景技术
在当前的集成电路制造工艺中，化学机械研磨(CMP)仍是重要的平坦化技术。化学机械研磨采用化学反应和机械研磨相结合的方法对表面起伏不平的晶圆进行平坦化，其工艺过程如下：先将待研磨的晶圆吸附于研磨头下，然后向研磨头施加向下的压力，使晶圆的待研磨面紧压于研磨垫上，接着表面贴有研磨垫的转台在电机的驱动下旋转，与此同时，研磨头也进行同向转动，在研磨头和转台转动的同时，研磨液通过研磨液供应管供应到研磨垫上，研磨液在转台旋转产生的离心力的作用下分布在研磨垫上，实现对晶圆的研磨。然而，随着晶圆上的芯片单位面积内集成的元件数量不断增加，元件的特征尺寸不断变小，对芯片平坦化，实现芯片表面均匀性、一致性的难度进一步加大。
通常，采用现有的化学机械研磨方法对晶圆进行研磨后，位于晶圆边缘区域的芯片表面容易出现不均匀、不一致的现象，如图6所示，为晶圆100化学机械研磨后的实际形貌，可以看出晶圆100的边缘区域高低不平，此种现象会对后续的光刻工艺造成不利影响。如图7所示，光刻时，在晶圆100的表面旋涂光刻胶，形成一层光刻胶层，之后对光刻胶层进行曝光和显影步骤，以将掩膜版110上的图案转移至晶圆100表面的光刻胶层。在曝光过程中，晶圆100的表面越平整，转移至晶圆100表面的光刻胶层的图案就会越清晰。在小范围内如果晶圆100的表面高低不平，图案将无法清晰的转移至晶圆100上，从而导致曝光失败，最后导致晶圆上的芯片不可用。如图8所示，晶圆100中心区域由于其表面很平整，芯片曝光正常，而晶圆100边缘区域由于其表面高低不平，芯片曝光失败。因此，如何提高晶圆100边缘区域的芯片平坦化是一个急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶圆边缘芯片平坦化方法，该方法能够提高晶圆边缘芯片平坦化，实现芯片表面均匀性、一致性。
为实现上述目的，本发明提供的一种晶圆边缘芯片平坦化方法，包括如下步骤：提供待研磨晶圆，待研磨晶圆上分布若干待研磨芯片；将待研磨晶圆吸附于研磨头下，研磨头具有边缘区域和中心区域，研磨头的边缘区域内的下压力作用于待研磨晶圆的边缘区域，研磨头的中心区域内的下压力作用于待研磨晶圆的中心区域；将吸附有待研磨晶圆的研磨头移至研磨垫上；设置研磨头的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值；以及设置研磨头的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值。
在一个实施例中，在设置研磨头的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值的步骤之后，且在设置研磨头的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值的步骤之前，进一步包括：设置研磨头的边缘区域内的下压力为2-3.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为1.8-3.0psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨晶圆研磨一时间段。该时间段为5～10秒。
在一个实施例中，待研磨晶圆边缘区域的面积占待研磨晶圆总面积的6％～25％。
在一个实施例中，研磨垫具有边缘区域、中心区域以及边缘区域和中心区域之间的中间区域，所述修整器在研磨垫的边缘区域和中心区域停留的时间比在研磨垫的中间区域停留的时间长。
在一个实施例中，修整器在研磨垫的边缘区域至中心区域的半径范围内的移动速度为非匀速。修整器移动的速度变化轨迹为正弦曲线或余弦曲线。
综上所述，本发明晶圆边缘芯片平坦化方法通过分阶段对待研磨晶圆进行研磨，且在第一研磨阶段中，研磨头的边缘区域及中心区域内的下压力较大，既可以提高研磨率也可以提高待研磨芯片表面的均匀性和一致性，尤其可以提高待研磨晶圆的边缘区域的芯片表面的均匀性和一致性。在第二研磨阶段中，研磨头的边缘区域及中心区域内的下压力较小，可以进一步提高待研磨晶圆的边缘区域的芯片表面的均匀性和一致性。
附图说明
图1揭示了根据本发明具体实施例中的晶圆边缘芯片化学机械研磨前的结构剖面图。
图2揭示了根据本发明具体实施例中的晶圆边缘芯片化学机械研磨后的结构剖面图。
图3为化学机械研磨装置的结构示意图。
图4为研磨头的剖面结构示意图。
图5揭示了根据本发明的晶圆边缘芯片平坦化方法的一实施例的流程图。
图6为采用现有方法对晶圆化学机械研磨后的形貌示意图。
图7为对图6中的晶圆进行光刻的示意图。
图8为图7中的晶圆光刻后的示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
参阅图1和图2，揭示了根据本发明具体实施例中的晶圆边缘芯片化学机械研磨前、后的结构剖面图。在本实施例中，晶圆上的芯片结构为铝互连线结构，以铝互连线结构为例，对本发明的晶圆边缘芯片平坦化方法予以详细说明。铝互连线结构的形成过程包括：首先在硅衬底210或前道层间介质层上沉积第一粘结层220，第一粘结层220的材料通常为钛或氮化钛；然后在第一粘结层220上沉积金属层230，金属层230的材料为铝；然后在金属层230上沉积第二粘结层240，第二粘结层240的材料通常为钛或氮化钛；接着对第二粘结层240、金属层230及第一粘结层220进行刻蚀，形成沟槽；然后向沟槽内及第二粘结层240沉积金属层间介质层250。沉积的金属层间介质层250的表面往往高低不平，如图1所示，为了后续工艺的顺利进行，接下来需对金属层间介质层250平坦化。常用的方法是化学机械研磨的方法。然而，现有的化学机械研磨方法只能保证晶圆中心区域的芯片的金属层间介质层250平坦化效果，而晶圆边缘区域的芯片的金属层间介质层250平坦化效果较差。本发明提供的晶圆边缘芯片平坦化方法可以解决现有的晶圆边缘区域的芯片的金属层间介质层250平坦化效果差的问题。
参阅图3和图4，用于实施本发明的晶圆边缘芯片平坦化方法的化学机械研磨装置包括研磨头310、修整器320、研磨液供应管330、研磨垫340及转台，由于该化学机械研磨装置的具体构造与功能与现有的化学机械研磨装置相同且为本领域技术人员所熟知，故不再赘述，仅对研磨头310作进一步说明。研磨头310包括限位环311、隔膜312及内橡胶管313。研磨头310具有多个同心圆区域，在本实施例中，研磨头310具有三个同心圆区域，分别为第一区域314、第二区域315及第三区域316，可以通过对各区域施加不同的下压力来调整研磨的效果。第一区域314内的下压力通过限位环311作用于研磨垫340和待研磨晶圆的边缘区域，因此，第一区域314也可以称作研磨头310的边缘区域，本发明中，待研磨晶圆边缘区域的面积占待研磨晶圆总面积的6％～25％。第二区域315内的下压力通过隔膜312作用于待研磨晶圆的除边缘区域外的中心区域，因此，第二区域315也可以称作研磨头310的中心区域。第三区域316内的下压力通过内橡胶管313作用于待研磨晶圆表面，该下压力对待研磨晶圆的研磨作用较小，主要用于侦测待研磨晶圆是否吸附于研磨头310下。
参阅图5，揭示了根据本发明的晶圆边缘芯片平坦化方法的一实施例的流程图，该方法具体包括如下步骤：
S001：提供待研磨晶圆，待研磨晶圆上分布若干待研磨芯片；
S002：将待研磨晶圆吸附于研磨头310下；
S003：将吸附有待研磨晶圆的研磨头310移至研磨垫340上；
S004：设置研磨头310的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头310的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值，例如，金属层间介质层250的初始值为10000埃，在该步骤中，将金属层间介质层250的厚度从10000埃研磨至7500埃；
S005：设置研磨头310的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头310的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值，例如，将金属层间介质层250的厚度从7500埃研磨至目标厚度4500埃。
优选的，为了避免研磨头310的边缘区域及中心区域内的下压力在短时间内快速变化对待研磨晶圆造成损伤，在步骤S004之后，且步骤S005之前，还包括一过渡步骤：设置研磨头310的边缘区域内的下压力为2-3.5psi，研磨头310的中心区域内的下压力为1.8-3.0psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨晶圆研磨5～10秒。
待研磨晶圆在研磨过程中，研磨头310和修整器320除了与转台同向旋转外还左右移动，为了防止研磨头310与修整器320碰撞，设定研磨头310和修整器320左右移动的运动轨迹一致，即研磨头310向右移动时，修整器320也向右移动，研磨头310向左移动时，修整器320也向左移动。此外，由于待研磨晶圆在研磨过程中，研磨头310和修整器320都在研磨垫340的边缘至中心的半径区域内运动，随着时间的推移，研磨垫340的边缘区域和中心区域会比研磨垫340的边缘区域和中心区域之间的中间区域厚，从而影响待研磨芯片的平坦化效果。为了解决此问题，研磨时，修整器320在研磨垫340的边缘区域和中心区域停留的时间比在研磨垫340的中间区域停留的时间长。修整器320在研磨垫340的边缘区域至中心区域的半径范围内的移动速度为非匀速，修整器320移动的速度变化轨迹为正弦曲线或余弦曲线。
由上述可知，本发明晶圆边缘芯片平坦化方法通过分阶段对待研磨晶圆进行研磨，且在第一研磨阶段中，研磨头310的边缘区域及中心区域内的下压力较大，既可以提高研磨率也可以提高待研磨芯片表面的均匀性和一致性，尤其可以提高待研磨晶圆的边缘区域的芯片表面的均匀性和一致性。在第二研磨阶段中，研磨头310的边缘区域及中心区域内的下压力较小，可以进一步提高待研磨晶圆的边缘区域的芯片表面的均匀性和一致性。
综上所述，本发明晶圆边缘芯片平坦化方法通过上述实施方式及相关图式说明，已具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。
Claims (7)
1.一种晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，包括步骤：
提供待研磨晶圆，待研磨晶圆上分布若干待研磨芯片；
将待研磨晶圆吸附于研磨头下，研磨头具有边缘区域和中心区域，研磨头的边缘区域内的下压力作用于待研磨晶圆的边缘区域，研磨头的中心区域内的下压力作用于待研磨晶圆的中心区域；
将吸附有待研磨晶圆的研磨头移至研磨垫上；
设置研磨头的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值；以及
设置研磨头的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值。
2.根据权利要求1所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，在设置研磨头的边缘区域内的下压力为4.5-6.0psi，研磨头的中心区域内的下压力为3.5-4.5psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从初始值研磨至第一设定值的步骤之后，且在设置研磨头的边缘区域内的下压力为0.8-1.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为0.7-1.2psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨芯片的厚度从第一设定值研磨至目标值的步骤之前，进一步包括：设置研磨头的边缘区域内的下压力为2-3.5psi，研磨头的中心区域内的下压力为1.8-3.0psi，转台的转速为100-150rpm，将待研磨晶圆研磨一时间段。
3.根据权利要求2所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，所述时间段为5～10秒。
4.根据权利要求1所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，所述待研磨晶圆边缘区域的面积占待研磨晶圆总面积的6％～25％。
5.根据权利要求1所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，所述研磨垫具有边缘区域、中心区域以及边缘区域和中心区域之间的中间区域，所述修整器在研磨垫的边缘区域和中心区域停留的时间比在研磨垫的中间区域停留的时间长。
6.根据权利要求5所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，所述修整器在研磨垫的边缘区域至中心区域的半径范围内的移动速度为非匀速。
7.根据权利要求6所述的晶圆边缘芯片平坦化方法，其特征在于，所述修整器移动的速度变化轨迹为正弦曲线或余弦曲线。
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